動量守恆定律的應用

2023-01-31 02:33:02 字數 2518 閱讀 6781

一、動量守恆定律

1.動量守恆定律的內容

乙個系統不受外力或者受外力之和為零,這個系統的總動量保持不變。

即:①守恆是指整個過程任意時刻相等(時時相等,模擬勻速)

②該定律適用於巨集觀和微觀高速和低速

2.動量守恆定律成立的條件

⑴系統不受外力或者所受外力之和為零;

⑵系統受外力,但外力遠小於內力,可以忽略不計;

⑶系統在某乙個方向上所受的合外力為零,則該方向上動量守恆。

3.動量守恆定律的表達形式

(1),即p1+p2=p1/+p2/,

(2)δp1+δp2=0,δp1= -δp2

4.理解:①正方向②同參同系③微觀和巨集觀都適用

5.動量守恆定律的重要意義

從現代物理學的理論高度來認識,動量守恆定律是物理學中最基本的普適原理之一。(另乙個最基本的普適原理就是能量守恆定律。)從科學實踐的角度來看,迄今為止,人們尚未發現動量守恆定律有任何例外。

6.應用動量守恆定律解決問題的基本思路和一般方法

(1)分析題意,明確研究物件.在分析相互作用的物體總動量是否守恆時,通常把這些被研究的物體總稱為系統.

(2)要對各階段所選系統內的物體進行受力分析,弄清哪些是系統內部物體之間相互作用的內力,哪些是系統外物體對系統內物體作用的外力.在受力分析的基礎上根據動量守恆定律條件,判斷能否應用動量守恆。

(3)明確所研究的相互作用過程,確定過程的始、末狀態,即系統內各個物體的初動量和末動量的量值或表示式。

注意:在研究地面上物體間相互作用的過程時,各物體的速度均應取地球為參考係。

(4)確定好正方向建立動量守恆方程求解。

1.碰撞

兩個物體在極短時間內發生相互作用,這種情況稱為碰撞。由於作用時間極短,一般都滿足內力遠大於外力,所以可以認為系統的動量守恆。碰撞又分彈性碰撞、非彈性碰撞、完全非彈性碰撞三種。

仔細分析一下碰撞的全過程:設光滑水平面上,質量為m1的物體a以速度v1向質量為m2的靜止物體b運動,b的左端連有輕彈簧。在ⅰ位置a、b剛好接觸,彈簧開始被壓縮,a開始減速,b開始加速;到ⅱ位置a、b速度剛好相等(設為v),彈簧被壓縮到最短;再往後a、b開始遠離,彈簧開始恢復原長,到ⅲ位置彈簧剛好為原長,a、b分開,這時a、b的速度分別為。

全過程系統動量一定是守恆的;而機械能是否守恆就要看彈簧的彈性如何了。

(1)彈簧是完全彈性的。ⅰ→ⅱ系統動能減少全部轉化為彈性勢能,ⅱ狀態系統動能最小而彈性勢能最大;ⅱ→ⅲ彈性勢能減少全部轉化為動能;因此ⅰ、ⅲ狀態系統動能相等。這種碰撞叫做彈性碰撞。

由動量守恆和能量守恆可以證明a、b的最終速度分別為:。(這個結論最好背下來,以後經常要用到)

(2)彈簧不是完全彈性的。ⅰ→ⅱ系統動能減少,一部分轉化為彈性勢能,一部分轉化為內能,ⅱ狀態系統動能仍和⑴相同,彈性勢能仍最大,但比⑴小;ⅱ→ⅲ彈性勢能減少,部分轉化為動能,部分轉化為內能;因為全過程系統動能有損失(一部分動能轉化為內能)。這種碰撞叫非彈性碰撞。

(3)彈簧完全沒有彈性。ⅰ→ⅱ系統動能減少全部轉化為內能,ⅱ狀態系統動能仍和⑴相同,但沒有彈性勢能;由於沒有彈性,a、b不再分開,而是共同運動,不再有ⅱ→ⅲ過程。這種碰撞叫完全非彈性碰撞。

可以證明,a、b最終的共同速度為。在完全非彈性碰撞過程中,系統的動能損失最大,為:

2.子彈打木塊類問題

子彈打木塊實際上是一種完全非彈性碰撞。作為乙個典型,它的特點是:子彈以水平速度射向原來靜止的木塊,並留在木塊中跟木塊共同運動。

下面用乙個例題從動量、能量和牛頓運動定律等多個角度來分析這一過程。

例題:設質量為m的子彈以初速度v0射向靜止在光滑水平面上的質量為m的木塊,並留在木塊中不再射出,子彈鑽入木塊深度為d。求木塊對子彈的平均阻力的大小和該過程中木塊前進的距離。

解析:子彈和木塊最後共同運動,相當於完全非彈性碰撞。

從動量的角度看,子彈射入木塊過程中系統動量守恆:

從能量的角度看,該過程系統損失的動能全部轉化為系統的內能。設平均阻力大小為f,設子彈、木塊的位移大小分別為s1、s2,如圖所示,顯然有s1-s2=d

對子彈用動能定理

對木塊用動能定理

①、②相減得: ……③

點撥:這個式子的物理意義是:fd恰好等於系統動能的損失;根據能量守恆定律,系統動能的損失應該等於系統內能的增加;可見,即兩物體由於相對運動而摩擦產生的熱(機械能轉化為內能),等於摩擦力大小與兩物體相對滑動的路程的乘積(由於摩擦力是耗散力,摩擦生熱跟路徑有關,所以這裡應該用路程,而不是用位移)。

由上式不難求得平均阻力的大小:

至於木塊前進的距離s2,可以由以上②、③相比得出:

從牛頓運動定律和運動學公式出發,也可以得出同樣的結論。由於子彈和木塊都在恒力作用下做勻變速運動,位移與平均速度成正比:

一般情況下,所以s2<當子彈速度很大時,可能射穿木塊,這時末狀態子彈和木塊的速度大小不再相等,但穿透過程中系統動量仍然守恆,系統動能損失仍然是δek= f d(這裡的d為木塊的厚度),但由於末狀態子彈和木塊速度不相等,所以不能再用④式計算δek的大小。

3.反衝問題

在某些情況下,原來系統內物體具有相同的速度,發生相互作用後各部分的末速度不再相同而分開。這類問題相互作用過程中系統的動能增大,有其它能向動能轉化。可以把這類問題統稱為反衝。

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